履带式行走机器人论文

1 绪论

1.1机器人发展概况

在工业机器入问世30多年后的今天；机器人己被人们看作是一种生产工具。在制造、装配及服务行业，机器入的应用取得了明显的进步。由干传感器、控制、驱动及材料等领域的技术进步，通过智能机器人系统首次在制造领域以外的服务行业，开辟了机器人应用的新领域，让机器人作为“人的助手”，使人们的生活质量得以提高。目前在许多领域己经进行了很大的努力来开发服务机器入系统，并力争在较大范围内使用它们。这些机器人系统尽管有不同的应用领域，但它们所从事的工作仅限于维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援及数据采集等方面。

机器人是一个通用的自动化装置。国际标准化组织(1SO)的定义：“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务”。从1954年美国工程师乔治.大卫发表了《适用重复作业的通用性工业机器人》论文开始，到1962年美国联合控制公司推出第一台机器人“尤尼麦特”为止。机器人开始在工业生产的各种场合中，起到了置关重要的作用。而在所有的机器人研究中，尤使日本的机器人研究最为突出。

现在国外大多都在致力于直立行走机器人和微型机器人的研究。

特别是注重对于机器人控制和视觉识别方面的研究。对于行走机器人而言，最引起大多数科学家注意的是对于视觉识别方面的研究。并且也取得了许多可人的成果。

行走机器人分很多种，不仅有直立式，还有履带式，多支点式等等。而这里只谈谈履带式行走机器人。履带式行走机器人是一种利用履带进行支撑机器人机体的移动机器人目前我国发展了多履带式机器人，有四条和六条履带的移动机器人。他们的优点是转向方便移动稳

定的特点，所以适合在恶劣的条件下进行工作。

1.2 履带式行走机器人概述

所谓履带式行走机器人（我们这里指的是普通的履带式行走机器人）利用两条履带进行支撑机体进行移动的机器人。它具有运行稳定，转向灵活，能够越过较小的障碍，并且承载重量较大的特点。能够在较恶劣的环境下进行工作。是一种较稳定的承载载体。而且它采用步进电机进行驱动，利用单片机接口，使用C语言编程控制。所以在某一方面来说，履带式机器人是笨重机械结构和先进的高级控制语言的结合。是高科技的计算机技术和机械的有机结合。

1.3 履带式行走机器人的结构概述

履带式行走机器人包括机械部分和电控部分。

机械部分主要是链传动和减震的设计及各部件的装配。链传动采用套筒滚子链传动。减振主要采用圆柱压缩弹簧完成减振。

电控部分主要是步进电机的选择和51系列单片机的选择及C语言编程。

2 电动机的选择

2.1 电机的选择原则

电机是一种执行元件，是在控制装置的控制下，将电能转换为机械能的装置。伺服系统中所用的电机主要有步进电动机，直流伺服电动机，交流伺服电动机等。为了保证机器人行走的速度和承载的重量以及所要满足的控制要求，满足惯性小，动力大，体积小，质量轻，便于计算机控制，成本低，便于安装和维修的特点，这里选用步进电机。

2.2步进电机的工作原理

步进电机又称电脉冲马达，是伺服电动机的一种。步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。

步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下：

(1)控制换相顺序

通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C－D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C，D相的通断。

(2)控制步进电机的转向

如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。

(3)控制步进电机的速度

如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。

2.3 步进电机的选择结果

选用Y系列笼型三相异步电机，因为这种电机高效，节能，启动转矩高，噪声低，振动小，运行安全可靠。安装尺寸和功率等级完全符合国际标准（IEC）。由传动所需的动力要求，及电动机的安装尺寸和装配要求。选用型号为120BF4-1型的步进电动机。额定电压50V。静态时电流为6A，步距角3/1.5度。空载起动频率为1000PPS空载运行频率1300PPS。额定转距3.43N.M。

3 底盘的设计

3.1底盘设计的方案选择

在底盘设计上，第一步是设计传动方式。首先考虑的是满足行走机器人的稳定性和保证行走机器人的行走速度。为了保证稳定性，我先考虑了几种传动方式，比较了他们传动的稳定性。经过综合考虑，我选用了和履带最匹配的链传动。为了使履带的运行更加平稳我选用双排链传动。因为双排链最低破坏载荷比较大，稳定性也比单排链好。在保证行走速度上，也能够更好的匹配一定功率的电动机。在以上的基础上，为了保证设计的经济性，我选用了在传动链里应用最广泛的套筒滚子链。

第二步是设计底盘的结构布局。在主动轮上，左右分别由两个步进电机控制，在两个电机之间没有任何联系。在机体中间装一个支撑，为了承载单片机和控制元件。在从动轮上，只装有两个轴承，中间也没有联系（详见图2—1）。这主要是为了减轻机器人本身的重量，也为了更好的满足机器人的行走。

图3—1

3.2 套筒滚子链的结构设计

普通套筒滚子链是由套筒1，滚子2，销轴3，内链板4，外链板5组成（如图2—2）。因为我们是用他来带动履带，所以还需要附板，附板一般都是标准件，所以并不要求设计，只要满足一定的节距和载荷即可。

套筒滚子链连接链节形式有两种。大节距链一般用开口销，小节距链一般用弹簧卡片。我们这里用的是大节距链，所以采用开口销。

3.3 套筒滚子链传动的设计计算

套筒滚子链轮的结构设计应满足以下基本要求：链轮齿廓形状应保证链条的滚子能顺利地啮入就位和退出啮合，不发生干涉现象；应具有较大的容纳链条的节距增长的能力；应具有合理的作用角，避免链轮齿受载过大；便于滚子啮进时导入和防止振动时脱链，便于制造